农田土壤重金属污染现状及治理措施

樊建琼

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

引言

耕地资源作为人类赖以生存的重要物质基础一直以来受到众多学者关注，耕地的重要性与人民群众切身利益挂钩。因此，国家政策、地方法规以及相关部门均提出要严格落实保护耕地[1]。根据第三次全国国土调查数据分析，我国耕地资源总量和优质耕地资源保有量均产生了负增长，而土壤重金属污染问题是粮食安全的重要影响因素之一[2]。重金属污染是当前全球面临的重要污染问题，随着工业污染、农业活动污染、矿产开发以及废弃矿山污染物外排，农田土壤易受到来自多方面的重金属污染。重金属污染物进入土壤后，由于其本身易积累、隐蔽性强和难以根除等特点，会对农田生态环境和土壤微生物生活空间等造成严重危害。此外，部分重金属还可以转化形成毒性更强的化合物[3]。作为一个农业生产和消费大国，耕地土壤安全的重要性不言而喻，受重金属污染的农田不仅可以造成土地资源利用率降低，同时也会降低耕地质量，造成农作物大面积减产或绝收，更为严重的是部分土壤污染物带有毒副作用，通过食物循环进入人体各个脏器，引发慢性中毒等问题，严重损害人类身体安全[4]。为了更为有效的解决农田土壤重金属污染问题，众多学者从农田土壤重金属污染物监测、来源、治理方案以及修复后评价等多个方面开展了试验研究，但我国农田土壤重金属污染修复技术的深度和处理能力均相对薄弱，也不能应用于大规模的工程修复中[5，6]。因此，如何从根本上摸清农田中土壤重金属污染的来源，并制定行之有效的土壤修复措施，将是提高和改善我国耕地土壤重金属污染的重点研究方向。

1 农田土壤重金属污染的主要来源

1.1 工业废弃物排放引发的土壤重金属污染

工业生产是推进我国经济发展的主要力量，而伴随大量矿产资源开采和消耗均会产生严重的环境污染和生态破坏，同时也会产生大量有毒害的重金属物质。如，在煤炭资源开采和燃烧，铅锌矿开发和利用以及含砷金属矿的开采、冶炼，产生的重金属物质会通过降雨淋溶等渠道流向农田，并在农田土壤中沉降聚集。而煤矸石的露天堆放，不止会产生大量有毒害废气，通过大气沉降尤其是其产生的SiO2和Al2O3等重金属污染物质，会进入农田并长期集聚在土壤中导致农田污损而无法种植作物[7，8]。另外，随着城镇人口和可开发利用土地资源的饱和，部分工业企业将厂址搬迁至农村区域并开展工业生产和开发，其排放的工业污水是目前最常见也最典型的农田土壤重金属污染物来源之一，尽管国家已对工业废水、污水排放进行了严格的控制，但在企业逐利天性的驱使下，较多未处理或处理不达标的工业污水直接或间接的排入江河等地表水中，长期使用未被完全降解的污染水源进入农田灌溉系统，最终被土壤中的胶质颗粒和作物根系吸附，进而通过食物链危害人体健康。

1.2 农业生产引发的耕地土壤重金属污染

我国长期以来就是以农业生产为主的农业国家，为了保障全国人口的粮食安全，我国进行了长达几十年的研究，研究结果表明，在农田中大量使用杀虫剂，不合理施肥以及地膜等均会造成一定程度的土壤污染。构成这些农业生产要素的有机和无机材料中含有大量的重金属，如Cu、Zn和As等[9]，此类物质的不合理过量使用，会使其含有的重金属污染物聚集在土壤中，并伴随作物种植过程中的土壤翻耕、犁璇等措施进入土壤耕作层。而农药的喷洒，仅有约30%左右可附着于农作物，剩余的70%左右则通过空气传播至土壤中，加剧耕地土壤中农药残留，进而引发土壤重金属污染，其中的Cu等重金属污染物漂浮于作物表面和农田土壤表面，进而造成重金属污染物超标。另外，地膜在我国耕地中已广泛使用，虽然在一定程度上提高了作物产量，增加了群众收益，但作物采收之后残存于耕地土壤中的地膜将对耕作层土壤产生不良影响。截至目前，我国耕地中地膜残留量约为2×106t，耕作层中的地膜残留量达60kg·hm-2，由于地膜中含有Cd和Pb等重金属元素，农民在作物采收后，一般不会对地膜进行回收，而是通过翻耕的形式将其继续还田，伴随使用量的加剧，不仅产生白色垃圾污染，也使土壤中的有毒害重金属污染含量剧增，影响作物产量和品质。

2 农田土壤重金属污染的现状

农田土壤重金属污染的主要有Ni、Hg、Cu、Pb、Cr、As等，且一般以离子形式存在于土壤中。重金属元素在土壤中积累到一定程度，其含量超标后会通过释放毒素影响土壤和作物，在加上土壤腐朽的同时，影响土地质量和作物产出率，而结合土壤重金属分布特征及污染评级结果，农田土壤中的重金属污染物主要为Cd和Hg等物质。截至2014年，我国受污染耕地多达8000万hm2，占全国耕地面积的63.5%，土壤重金属污染率就已达16.1%，而其中受到重金属污染的占比已达20%[10]。受工业活动、农业活动以及采矿活动等多种因素影响，对农田土壤造成了极大污染。在粮食生产和粮食安全的大背景下，重金属污染物通过各种渠道进入农田土壤，不仅会降低和削弱耕地土壤本身的肥力和耕性，同时也会由于重金属物质的本身属性污染土地，导致农田无法进行利用。在工业发展中的金属冶炼、矿产资源开发等产生的粉尘、污染颗粒物、废水废渣等均会产生重金属污染物，此类重金属污染物的隐蔽性高、持久性强和难降解等特点，且具有很强的复合性，具备相当的治理难度，不仅需要高昂的治理费用也需要较大的技术可操作性，给农田土壤污染防治工作带来极大的压力。此外，我国重金属污染物的排放量仍在持续增长，每年造成的粮食减产问题超过1000万t，由此而产生的经济损失超过200亿元。另外在其隐蔽性高的特点下，农田土壤重金属无法快速的被察觉，只能通过作物长势和专项检测等方式才能被发现，而重金属污染的治理成本和治理周期均较长，尚未形成极具效果的修复技术。此外，部分地区群众对重金属污染重视程度不够，作物采收后会进入市场，会随着食物链在人体内积累，引发中毒危害。

3 农田土壤重金属污染的修复举措

3.1 生物修复方法

生物修复方法主要包含植物修复和动物修复等。植物修复技术是将可吸收污染物的植物多次种植在污染区域内，可以有效去除土壤污染物的一种技术。该技术具有一定的局限性，一般仅修复污染源单一且不严重的土壤，若土壤受到严重污染，将无法进行修复，并且会使植物发生死亡。这些植物如果被动物食用，可能会导致污染面积扩大，该项修复技术，使用周期最短3年，因此在选择时间需结合修复目的与污染程度综合考虑。生物修复技术是将有机营养物加入修复土壤中，或着合理控制土壤中的氧气含量，利用微生物正常生理代谢过程中产生的有机酸可较为有效的对土壤中重金属污染物进行吸收，以此实现土壤污染修复，最终达到修复效果。但值得注意的是，微生物在土壤中新陈代谢是一项十分复杂的生理过程，其微生物菌群之间是否会发生紊乱或者由于环境变化导致微生物菌群死亡，也有对土壤造成二次污染的可能性。微生物修复技术适合于大面积的土壤污染治理，但治理周期较长，并且由于土壤性质和传播方法等因素，造成有机物无法均匀分散现象。

3.2 物理修复方法

物理修复方法主要包含电动修复技术、客土换土技术和热脱附修复技术等。电动修复技术是以电子在电场中的迁移为基础进行修复。修复过程中，通过电场作用，迁移土壤内存在的金属电离子，达到修复治理污染的效果。电动修复技术的优势在于可定期对土壤进行修复，并且不会破坏土壤的自身结构，应用范围较广，操作方法简单、便捷。缺点在于修复期间存在较多资源的消耗，可能会导致突然酸碱度发生变化，无法达到稳定的修复效果。在实际应用中，一般采用活性剂作为强化剂，提高修复效果。客土换土修复技术主要针对污染较小的土壤，该技术是将干净的土壤掺入污染土壤中，以此将污染问题减轻并起到修复作用。换土是将污染的土壤用干净土壤替换，使原始受污染的土壤得以改善。以上2种方法，都存在较多的缺点，并且受限制影响因素较多，因此在实际应用较少。物理修复的主要特点在于虽然污染土壤在经处理过后会较为有效地改善土壤条件，污染物去除效果也较为显著，其所耗费的时间也较短，但其修复成本较高，且在修复过程中易引起二次污染等问题，不能实现大范围改良土壤的效果。

3.3 化学修复方法

化学修复方法主要包括固化技术和土壤淋洗技术，固化技术是向土壤中加入固化剂，使土壤污染物与固化剂发生物理化学反应，最终在固态材料中充分封固污染物，将污染物转化为具有稳定化学性质的物质，再将其进行扩散和转移，使得土壤得到有效修复。该项技术应用范围更广，且发展应用较为成熟，但在应用过程中，需要数量巨大的固化剂，最终产生的效果并不理想，同时也可能影响土壤自身性质，若处理不当，还可能发生二次污染。因此在修复治理前，需对土壤污染情况进行充分了解，同时明确修复目标。土壤淋洗技术是将土壤和化学洗涤剂进行混合，使有害物质和洗涤剂物质发生反应，进而将土壤和污染物之间进行分离，完成分离后将其及时回收，最后实现修复目的达到修复效果。该项技术的缺点在于无论洗涤剂是何种成分，在使用后都会降低土壤肥力。洗涤剂按成分可分为碱性和酸性2类，酸性洗涤剂具有良好的修复效果，但会严重破坏土壤，导致土壤性质出现改变。目前，化学洗涤剂内部成分通常都通过生物表面活性剂替代，可减少土壤受到破坏的情况，使得污染土壤得到有效修复。但在实际应用中仍存在较大可能导致土壤二次破坏现象发生，所以该项修复技术应用较少。因此还要不断积极探索研究该项措施和其他技术的联合应用，使得土壤遭受破坏的程度降到最低，与此同时提高污染土壤修复效果，只有这样才能大范围应用和推广。

3.4 联合修复技术

重金属污染的农田土壤中，一般并非单一的污染源，而是有多种污染源和多种污染组合方式并存的形式存在，由此而产生的污染程度及污染厚度均非单一的重金属污染源所能比拟。因此，单一的修复技术往往较难彻底的修复农田土壤重金属污染物，协调2种甚至多种土壤联合修复技术则成为将来需重点研究的方向。联合修复技术，是将微生物-植物-动物联合修复、化学生物联合修复、物理化学联合修复以及生物炭、蒙脱石散修复等多种技术相结合，既能提高受污染土壤的整体修复效率和速率，也可以克服单项技术的一些局限性。但截至目前，联合修复技术尚处于持续研究阶段，各种组合形式也尚需进一步试验验证其修复效果，并对后期环境是否产生影响也是需要注意的研究方向。

4 结语

土壤重金属污染治理的主要机制是对土壤中的重金属有毒害物质进行祛除，在尽可能还原土壤本质的基础上实现对土壤重金属污染物的控制，其基本方式是根据物理、化学和生物或相结合的原理来进行污损土壤修复。我国于2016年提出《土壤污染防治行动计划》，为我国开展农田土壤重金属污染修复技术的发展提供了政策依据。本文从土壤重金属污染物的主要来源出发，分析了农田土壤重金属污染现状，并针对性地提出了修复土壤重金属污染物的修复技术，以期更好地为农田土壤重金属修复工作服务，切实保障国家粮食安全。